книги из ГПНТБ / Михайлов В.С. Судовые электростанции и электродвижение судов учеб. пособие

Величина провала напряжения и время его восстановления зависят от применяемой системы автоматического регулирования возбуждения генератора. Для генераторов с самовозбуждением (не имеющих возбудителя) провал напряжения в процентах с до­ статочной степенью точности можно определить из выражения

Расчет провалов напряжения необходимо производить для наиболее тяжелых условий, к каким надлежит отнести пуск асин­

асинхронных короткозамкнутых двигателей больших мощностей

к искусственному ограничению пусковых токов. В судовых элек­ троэнергетических системах возможны два способа такого пуска:

1) пуск с включенными в депь статора активными или индук­ тивными сопротивлениями;

80

2) пуск с переключением обмотки статора со «звезды» на «тре­ угольник».

Второй способ пуска возможен только для двигателей, поми­ нальное напряжение которых при соединении обмотки статора в треугольник совпадает по величине с напряжением сети. При обоих способах в момент пуска к статору двигателя подводится пониженное напряжение, что значительно уменьшает его пусковой момент. Поэтому двигатели, пускаемые с большой нагрузкой на валу, не могут разогнаться. Это ограничивает применение асин­ хронных короткозамкнутых двигателей. В подобных случаях должны использоваться асинхронные двигатели с ротором спе­ циального исполнения или с фазной обмоткой на роторе.

Провалы напряжения в сети можно уменьшить также включе­ нием параллельно с асинхронным двигателем статических конден­ саторов, емкостный ток которых компенсирует часть индуктивного тока, потребляемого двигателем при пуске, и тем самым умень­ шает размагничивающее действие реакции статора. Это объяс­ няется тем, что индуктивный ток нагрузки размагничивает, а емкостный — подмагничивает синхронные генераторы.

Пуск мощных асинхронных двигателей кроме провалов напря­ жения в сети иногда вызывает также опасные перегрузки дизельгенератора, в результате которых дизель может резко снизить угловую скорость или остановиться.

большие провалы напряжения, выделяют один из генераторов су­ довой электростанции. Применяемые при этом способы пуска за­ ключаются в следующем:

1)к достигшему номинальной скорости невозбужденному ге­ нератору подключается пускаемый асинхронный двигатель; затем включается возбуждение и плавным подъемом напряжения гене­ ратора до номинального значения производится разгон двигателя;

2)двигатель подключается на шины неподвижного генератора, после чего приводным двигателем (дизелем) разгоняется генера­

тор, а вместе с ним набирает скорость и асинхронный двигатель.

§ 21. Статическая устойчивость судовых синхронных генераторов

Всякая система будет работоспособной, если она обладает не­ обходимой устойчивостью. Под у с т о й ч и в о с т ь ю понимают способность системы с течением времени возвращаться к равно­ весному состоянию, из которого она была выведена внешними воздействиями. Различают статическую и динамическую устойчи­ вость электроэнергетических систем.

С т а т и ч е с к о й у с т о й ч и в о с т ь ю называется способность системы самостоятельно восстанавливать исходное состояние при бесконечно малом его отклонении от положения равновесия. В этом случае система регулирования первичных двигателей успе­ вает создать изменение первичного фактора, соответствующее

изменению нагрузки генераторов. Таким образом, система при малых отклонениях режима от положения равновесия сохраняет параметры режима, близкие к номинальным.

Рассмотрим статическую устойчивость синхронного генератора, работающего параллельно с мощной сетью, для которой можно

хронно. Аналогично будем считать, что вектор э.д. с. Е, создавае­ мой потоком ротора, совпадает с осью роторного полюса, так как

Сгпатор

их угловая скорость <в зависит только от угловой скорости пер­ вичного двигателя. Таким обра­ зом, на векторной диаграмме вектор напряжения сети UD ха­ рактеризует положение поля ста-

Ротор

тора, а вектор э. д. с. Е — положение ротора. Вектор напряжения генератора Uv равен по величине и противоположен по направле­

стого хода оси полюсов совпадают. При этом генератор не потреб­ ляет механической энергии со стороны первичного двигателя и не отдает электроэнергию в сеть. Если теперь увеличением подачи ра­ бочего тела в первичный двигатель увеличить его вращающий мо­ мент, то это вызовет смещение ротора генератора в сторону опере­

82

тора. Разложив ток / на активную / а и реактивную / р составляю­ щие, убедимся, что активная мощность

mUE sin Ѳп

Xd

передается генератором в сеть ( т — число фаз статора). Механическая мощность первичного двигателя, подводимая

к генератору, таким образом превращается в нем в электрическую, которая передается судовым потребителям. С появлением в об­ мотке статора генератора электрического тока возникает электро­ магнитный момент, создающий противодействие вращающему моменту первичного двигателя. Ток в генераторе и электромаг­ нитный тормозной момент будут уве­ личиваться с увеличением угла Ѳ пространственного смещения ротора относительно поля статора. В неко­ торый момент времени наступает равновесное состояние, при котором вращающий момент первичного дви­ гателя уравновешивается создающим сопротивление электромагнитным мо­ ментом генератора.

нитной мощности АР. В этих пределах увеличенную мощность пер­ вичного двигателя при новом угле Ѳ уравновешивает возросшая электромагнитная мощность генератора и генераторный агрегат из одного равновесного состояния переходит в другое равновес­ ное состояние. Поэтому участок OA угловой характеристики носит

Дальнейшее увеличение механической мощности приводного двигателя вызывает увеличение угла Ѳ свыше — , причем в пре-

делах изменения угла Ѳ от — до п положительному приращению

угла +АѲ будет соответствовать отрицательное приращение элек­ тромагнитной мощности генератора —АР, т. е. с увеличением ме­ ханической мощности и угла Ѳ нагрузка на валу, создаваемая ге­ нератором, будет уменьшаться. Это вызывает еще большее рас-

согласование мощности и моментов первичного двигателя и генератора и дальнейший разгон генераторного агрегата. Поле статора по-прежнему вращается с синхронной скоростью too, ско­ рость ротора увеличивается, магнитная связь между ротором и ста­ тором нарушается и генератор выпадает из синхронизма. Так

нератора, характеризующая статическую устойчивость, опреде­

лится как

тЦЕ

Изменение электромагнитной мощности генератора АР, отне­ сенное к соответствующему изменению угла нагрузки АѲ, назы­

положительна, а в пределах угла — <^Q<^zi— отрицательна. Это

означает, что в первом случае генератор статически устойчив, а во втором — статически неустойчив. Наибольшее значение синхрони­ зирующая мощность, очевидно, будет иметь при Ѳ = 0. Следова­ тельно, синхронный генератор будет более устойчив при малых углах Ѳ, а значит, и при малых нагрузках.

Максимальная мощность генератора, соответствующая Ѳг а а х ==

м о щ н о с т и . Однако генератор с такой мощностью работать прак­ тически не может, поскольку незначительное колебание нагрузки вызовет выпадение его из синхронизма, так как синхронизирую­ щая мощность при этом равна нулю:

Ps=mUE cos90° = 0.

Xd

84

Из уравнения (31) также следует, что идеальный статический предел мощности можно повысить, увеличивая э.д.с. (ток возбуж­ дения) или уменьшая синхронную реактивность ха генератора. Уменьшения ха можно добиться при изготовлении машины путем

и стоимости машины. Кроме того, уменьшение ха ведет к увели­ чению токов короткого замыкания.

Таким образом, повышать статическую устойчивость синхрон­ ного генератора рациональнее путем увеличения э.д.с. Однако эти меры не являются необходимыми, если принять во внимание, что перегрузочная способность синхронного генератора (kP = 2,0~ 4-2,5) значительно выше перегрузочной способности турбин и тем более дизелей. Поэтому генератор статически устойчив и оста­ вался бы таковым, даже если бы работал с нагрузками до (2,0-Ь- -т-2,5)Рцом, каких не в состоянии развить первичный двигатель.

Нарушение статической устойчивости синхронного генератора может вызвать резкий провал напряжения судовой электростан­ ции, уменьшающий статический предел мощности. Такое сниже­ ние напряжения возможно при коротких замыканиях в сети, что уже больше связано с динамической устойчивостью системы.

§22. Динамическая устойчивость судовых синхронных генераторов

Вотличие от статической устойчивости, которая рассматри­ вается при медленном изменении нагрузки, динамическая устой­ чивость характеризует поведение синхронного генератора при вне­ запном изменении нагрузки.

Д и н а м и ч е с к о й у с т о й ч и в о с т ь ю называется способ­ ность генератора возвращаться к установившейся работе, не вы­ падая из синхронизма, после временного резкого отклонения ре­ жима. В этих условиях система регулирования первичного двига­ теля не успевает создавать соответствующее изменение первичного фактора при изменениях нагрузки генератора. Такое резкое вне­ запное изменение нагрузки происходит при включении или выклю­ чении мощных потребителей, отключении одного из параллельно работающих генераторов, а также при коротких замыканиях в сети.

Статическая устойчивость системы является обязательной, но еще недостаточной предпосылкой ее устойчивости в динамическом режиме. Статически устойчивая система может оказаться неустой­ чивой динамически.

Если синхронный генератор работает с неизменными значе­ ниями Е, U и Xd, то каждому значению развиваемой им мощности соответствует определенное положение ротора относительно маг­ нитного потока статора, т. е. определенное значение угла на­ грузки Ѳ. Это имеет место в установившемся режиме.

При внезапном увеличении механической мощности на валу первичного двигателя ротор генератора, преодолев инерцию

85

находящихся на валу агрегата масс, придет в движение в направ­ лении увеличения угла нагрузки Ѳ. Достигнув угла, соответствую­ щего новой мощности, ротор генератора не остановится, а будет продолжать отклоняться на больший угол, пока не израсходует запас кинетической энергии движущихся масс. Затем, поскольку мощность генератора стала больше мощности первичного двига­ теля, начнется обратное движение ротора, и вновь из-за большой инерционности он пройдет положение, соответствующее равнове­ сию мощностей. Так, ротор будет совершать колебания относи­ тельно некоторого определенного нагрузкой среднего положения.

В процессе качаний ротора магнитные силовые линии, связы­ вающие его со статором, растягиваются и сжимаются, как пру­ жина. При больших (более я/2) углах поворота эта связь может быть оборвана и генератор выйдет из синхронизма. Но генератор может не выйти из синхронизма даже и в том случае, если ротор повернется на угол, превышающий я/2; только при этом он дол­ жен израсходовать запас кинетической энергии в пределах угла, при котором мощность генератора будет больше мощности пер­ вичного двигателя (левее точки В на рис. 33). Тогда ротор вер­

нется в область статической устойчивости ( Ѳ < — . Если же ротор

повернется на угол, при котором мощность генератора будет меньше мощности первичного двигателя, то угол поворота увели­

и мощность, вызывающие дальнейший разгон агрегата в асинхрон­ ном режиме работы генератора. Особенно опасные качания ро­ тора возникают в результате провалов напряжения генератора.

Рассмотрим изменение режима работы генератора, вызванное провалом напряжения в сети. В нормальном режиме генератор ра­ ботает с углом нагрузки Ѳі, потребляя мощность первичного дви­

генератора ввиду большой инерционности в первый момент вре­ мени не изменяет своего положения. Поэтому генератор, перейдя на характеристику 2, потребляет и отдает потребителям (потерями в генераторе пренебрегаем) мощность, соответствующую точке Ъ. Эта мощность меньше мощности первичного двигателя, определяе­ мой характеристикой 3. Превышение мощности генератора меха­ нической мощностью, приложенной к валу агрегата, вызывает уве­

ности первичного двигателя и движение осуществляется за счет запасенной ранее кинетической энергии ротора. В точке d кинети­ ческая энергия оказывается израсходованной, и ротор начинает за-

86

смотренный процесс качания ротора объясняется следующим обра­ зом. При переходе генератора с характеристики / на характе­ ристику 2 количество запасенной ротором кинетической энергии пропорционально площади фигуры abc. Отклонение ротора на мак­ симальный угол Ѳз от равновесного положения соответствует рас­ ходу кинетической энергии, про­ порциональной площади фигуры

cde, которая равна площади abc.

Наибольшие провалы напряжения обычно вызываются корот­ кими замыканиями (рис. 35). В этом случае площадь фигуры abc больше площади фигуры cdc, и угол опережения ротора Ѳ будет увеличиваться, что приведет к выпадению генератора из синхро­ низма. Во избежание этого при угле Ѳ откл короткое замыкание должно быть отключено и напряжение восстановлено до прежнего уровня. При этом генератор перейдет на характеристику / в точку е, ротор его еще увеличит угол отклонения до ѲШ ах (точка / ) , т. е. до момента, когда площадь фигуры cdefh станет равна площади фи­ гуры abc, после чего возвратится в точку а. Таким образом, свое­ временным отключением короткого замыкания предупреждается выпадение генератора из синхронизма, поскольку ротор его не до­ стигает предельного угла ѲПр.

В рассмотренных случаях напряжение синхронного генератора изменяется внешними условиями (например, коротким замыканием в сети) и поэтому генератор не влияет на величину напряжения

87

и частоты сети, что соответствует параллельной работе его с мощ­ ной сетью.

На судовых электростанциях обычно устанавливаются генера­ торы одинаковой или соизмеримой мощности. Поэтому нарушение режима работы электростанции вызывает качания всех генерато­ ров. Генераторы одинаковые по мощности и с одинаковыми при­ водными двигателями, как правило, совершают одинаковые по амплитуде и частоте колебания и угол рассогласования между ними в этом случае невелик. Поэтому в отношении динамической устойчивости такие генераторные агрегаты являются достаточно надежными. Менее надежными в этом отношении являются агре­

торы оказываются работающими раздельно. Чем быстрее будет отключено такое короткое замыкание, тем меньше генераторы будут работать изолированно друг от друга и тем легче они вновь войдут в синхронизм после отключения короткого замыкания. Рас­ четы показывают, что это время не должно превышать 0,2 с.

Динамическая устойчивость генераторов при коротких замыка­ ниях повышается с увеличением быстродействия автоматических регуляторов напряжения, скорости нарастания и величины пре­ дельного напряжения возбуждения.

Регуляторы скорости первичных двигателей не оказывают су­ щественного влияния на динамическую устойчивость генераторов при коротких замыканиях, так как их собственное время срабаты­ вания обычно больше времени с момента нарушения нормального режима до отключения короткого замыкания.

Для повышения динамической устойчивости современные су­ довые генераторы снабжаются успокоительной (демпферной) об-

88

моткой, которая представляет собой стержни, закороченные по концам и уложенные в продольные пазы полюсных наконечников ротора. Во время колебаний ротора относительно синхронно вра­ щающегося поля статора в успокоительной обмотке индуктируется ток, который, взаимодействуя с полем статора, создает тормозной момент, способствующий быстрому затуханию колебаний ротора.

Из изложенного следует, что при внезапных изменениях ре­ жима работы синхронных генераторов повышение их динамической устойчивости обеспечивается:

—применением быстродействующих систем автоматического регулирования напряжения генераторов и частоты вращения пер­ вичных двигателей;

—применением форсирования возбуждения;

—увеличением механической инерции агрегатов;

—установкой и включением на параллельную работу генера­ торных агрегатов одного типа и мощности;

—снижением индуктивных сопротивлений генераторов и других элементов системы;

—устройством успокоительных (демпферных) обмоток на ро­ торах генераторов.

Кроме того, повышение динамической устойчивости синхронных генераторов достигается также сокращением времени отключения коротких замыканий.

ГЛАВА V

ГЛАВНЫЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ЩИТЫ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

§ 23. Назначение и устройство главных распределительных щитов

Главные распределительные щиты (ГРЩ) наряду с генератор­ ными агрегатами являются основной составной частью судовых электростанций. ГРЩ представляет собой устройство, предназна­ ченное для управления, контроля работы и защиты генераторов, а также для распределения электроэнергии по фидерам судовых потребителей. Оно состоит из отдельных секций, которые подразде­ ляются на генераторные, секции управления и распределительные.

Генераторные секции предназначены для управления генерато­ рами и контроля за их работой. На рис. 36 показано устройство генераторной секции ГРЩ современного сухогрузного судна. Сек­ ция выполнена в виде стальной сварной конструкции, в которой смонтирована аппаратура управления и защиты генераторов. С ли­ цевой стороны секция облицована стальными листами коробчатого профиля, покрытыми антикоррозионными пленками, загрунтован-

89